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2020/2/21现代控制理论（ModernControlTheory）•专业主干课程；•树立现代控制理论的观念，培养学生综合解决较为复杂的控制问题的能力；•为学生进一步学习与工作奠定坚实的控制理论基础；•后续课程——计算机控制系统、运动控制系统、过程控制系统等。本课程在人才培养中的重要作用学习本课程所需的基础知识•自动控制原理•高等数学、线性代数、矩阵论•电路理论中相关知识•模拟电子技术中的相关知识•物理学相关知识绪论第一章控制系统的状态空间表达式第二章控制系统状态空间表达式的解第三章线性控制系统的能控性和能观性第四章稳定性与李雅普诺夫方法第五章线性定常系统的综合第六章最优控制（不讲授）本课程的主要内容共32学时0绪论1控制理论的性质2现代控制理论的产生与发展3现代控制理论的内容4现代控制理论与经典控制理论的差异5现代控制理论的应用•自动化（Automation），是指机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动地进行操作或运行。•自动控制（AutomaticControl）是关于受控系统的分析、设计和运行的理论和技术。•自动化主要研究的是人造系统的控制问题。•自动控制则除了上述研究外，还研究社会、经济、生物、环境等非人造系统的控制问题。例如生物控制、经济控制、社会控制及人口控制等，显然这些都不能归入自动化的研究领域的。不过人们提到自动控制，通常是指工程系统的控制，在这个意义上自动化和自动控制是相近的。控制（Control）是指为了改善系统的性能或达到特定的目的，通过信息的采集和加工而施加到系统的作用。1控制理论的性质控制理论是一门关于控制的科学。它有两个目标：了解基本控制原理；以数学表达它们，使它们最终能用以计算进人系统的控制输入，或用以设计自动控制系统。控制论：研究动物（包括人类）和机器内部控制和通信的一般规律的学科。1自动控制的性质控制领域中有两个不同的但又相互联系的主题:第一个主题是反馈的概念。第二个主题是最优控制的概念。应当指出，控制理论来源于控制过程的实践。而又指导控制过程的实践。现在，控制理论在工程控制、社会经济、生命科学等许多领域都有应用。反馈（Feedback）是指将系统的实际输出和期望输出进行比较，形成误差，从而为确定下一步的控制行为提供依据。（为什么需要反馈?）最优控制（optimalcontrol）是使控制目标所需性能和系统实际性能间的差异的性能指标最小。1自动控制的性质2现代控制理论的产生与发展控制理论作为一门科学技术，已经广泛地运用于我们社会生活的方方面面。洗衣机智能控制电冰箱温度控制0-1第一阶段:经典(自动)控制理论经典控制理论即古典控制理论,也称为自动控制理论。它的发展大致经历了以下几个过程：一萌芽阶段如果要追朔自动控制技术的发展历史,早在两千年前中国就有了自动控制技术的萌芽。控制理论的产生和发展要分为以下几个发展阶段：0-11.两千年前我国发明的指南车，就是一种开环自动调节系统。指南车2.公元1086－1089年（北宋哲宗元祐初年），我国发明的水运仪象台，就是一种闭环自动调节系统。水运仪象台0-1二起步阶段随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，加速了第一次工业革命的步伐。瓦特0-1三发展阶段1.1868年马克斯韦尔（J.C.Maxwell）解决了蒸汽机调速系统中出现的剧烈振荡的不稳定问题，提出了简单的稳定性代数判据。马克斯韦尔（J.C.Maxwell）0-12.1895年劳斯（Routh）与赫尔维茨（Hurwitz）把马克斯韦尔的思想扩展到高阶微分方程描述的更复杂的系统中,各自提出了两个著名的稳定性判据—劳斯判据和赫尔维茨判据。基本上满足了二十世纪初期控制工程师的需要。赫尔维茨（Hurwitz）0-13.由于第二次世界大战需要控制系统具有准确跟踪与补偿能力，1932年奈奎斯特（H.Nyquist）提出了频域内研究系统的频率响应法，为具有高质量的动态品质和静态准确度的军用控制系统提供了所需的分析工具。奈奎斯特0-14.1948年伊万斯（W.R.Ewans）提出了复数域内研究系统的根轨迹法。建立在奈奎斯特的频率响应法和伊万斯的根轨迹法基础上的理论，称为经典（古典）控制理论（或自动控制理论）。0-1四标志阶段1.1947年控制论的奠基人美国数学家韦纳（N.Weiner）把控制论引起的自动化同第二次产业革命联系起来，并与1948年出版了《控制论—关于在动物和机器中控制与通讯的科学》，书中论述了控制理论的一般方法，推广了反馈的概念，为控制理论这门学科奠定了基础。控制论之父——韦纳0-12.我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践，并与1954年出版了《工程控制论》。钱学森0-1从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术。（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。0-1第二阶段现代控制理论科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件—现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。在二十世纪五十年代末开始，随着计算机的飞速发展，推动了核能技术、空间技术的发展，从而对出现的多输入多输出系统、非线性系统和时变系统有了控制要求。0-11.五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法；在1957年提出了动态规划。2.1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。卡尔曼0-14.罗森布洛克（H.H.Rosenbrock）、欧文斯（D.H.Owens）和麦克法轮（G.J.MacFarlane）研究了使用于计算机辅助控制系统设计的现代频域法理论，将经典控制理论传递函数的概念推广到多变量系统，并探讨了传递函数矩阵与状态方程之间的等价转换关系，为进一步建立统一的线性系统理论奠定了基础。3.1961年庞特里亚金（俄国人）提出了极小（大）值原理。庞特里亚金L.S.Pontryagin0-15.20世纪70年代奥斯特隆姆（瑞典）和朗道（法国，L.D.Landau）在自适应控制理论和应用方面作出了贡献。与此同时，关于系统辨识、最优控制、离散时间系统和自适应控制的发展大大丰富了现代控制理论的内容。朗道L.D.Landau0-1第三阶段鲁棒控制理论阶段1.由于现代数学的发展，结合着H2和H等范数而出现了H2和H控制，还有逆系统控制等方法。2.20世纪70年代末，控制理论向着“大系统理论”、“智能控制理论”和“复杂系统理论”的方向发展：0-1大系统理论：用控制和信息的观点，研究各种大系统的结构方案、总体设计中的分解方法和协调等问题的技术基础理论。复杂大系统控制0-1智能控制理论：研究与模拟人类智能活动及其控制与信息传递过程的规律，研制具有某些拟人工智能的工程控制与信息处理系统的理论。洗衣机智能模糊控制机器人神经网络控制0-1复杂系统理论：把系统的研究拓广到开放复杂巨系统的范筹，以解决复杂系统的控制为目标。回顾控制理论的发展历程可以看出，它的发展过程反映了人类由机械化时代进入电气化时代，并走向自动化、信息化、智能化时代。复杂航天器控制0-1控制理论经典控制理论(19世纪中叶—20世纪50年代)线性非线性根轨迹法频域法时域法波波夫法李雅普诺夫法描述函数法相平面法采样控制Z变换法现代控制理论(60年代以来)状态反馈控制最优控制智能控制预测控制自适应控制模糊控制大系统多层分散控制3、鲁棒控制理论阶段现代控制理论基础的内容为:线性系统理论最优控制理论最优估计理论系统辨识理论自适应控制理论智能控制理论3现代控制理论基础的内容0-24现代控制理论与经典控制理论的差异经典控制理论现代控制理论研究对象单输入单输出系统(SISO)：高阶微分方程多输入多输出系统(MIMO):一阶微分方程研究方法传递函数法(外部描述)状态空间法(内部描述)研究工具拉普拉斯变换线性代数矩阵分析方法频域(复域),频率响应和根轨迹法复域、实域，可控和可观测设计方法PID控制和校正网络状态反馈和输出反馈其他频率法的物理意义直观、实用，难于实现最优控制易于实现实时控制和最优控制0-3（1）经典控制理论a.特点•研究对象：单输入、单输出线性定常系统。•解决方法：频率法、根轨迹法、传递函数。•非线性系统：相平面法和描述函数法。•数学工具：常微分方程、差分方程、拉氏变换、Z变换。b.局限性•不能应用于时变系统、多变量系统。•不能揭示系统更为深刻的内部特性。(2)现代控制理论•随着计算机技术、航空航天技术的迅速发展而发展起来的。a.特点•研究对象：多输入、多输出系统，线性、非线性、定常或时变、连续或离散系统。•解决方法：状态空间法（时域方法）。•数学工具：线性代数、微分方程组、矩阵理论。b.主要标志•1965年，R.Bellman提出了寻求最优控制的动态规划方法。•1958年，R.E.Kalman采用状态空间法分析系统，提出能控性、能观测性、Kalman滤波理论•1961年，庞特里亚金极大值原理。5现代控制理论的应用比起经典控制理论,现代控制理论考虑问题更全面、更复杂,主要表现在考虑系统内部之间的耦合,系统外部的干扰,但符合从简单到复杂的规律。现代控制理论已经应用在工业、农业、交通运输及国防建设等各个领域。0-4倒立摆稳定控制单级倒立摆稳定控制二级倒立摆稳定控制0-4导弹稳定控制空空导弹稳定控制地空导弹稳定控制0-4航天器控制月球车控制卫星控制0-4机器人控制空间机器人控制足球机器人控制0-4[课堂小结]1.现代控制理论的产生、发展、内容、研究方法和应用；2.经典控制理论与现代控制理论的差异；3.现代控制理论的应用。End指南车与司南、指南针等相比在指南的原理上截然不同。它的车箱里装着非常巧妙而复杂的机械。是一种双轮独辕车。它的中央有一个大平轮，木头人就竖立在上面。在大平轮两旁，装着很多小齿轮。如果车子向左转，右边的车轮就会带动小齿轮，小齿轮再带动大平轮，使大平轮相反地向右转。如果车子向右转，同样地，大平轮则向左转。因此，只要指南车开动以前，先让木头人的右手指向南方，以后车子不论是向左转还是向右转，木头人的右手就总是指向南方。指南车是利用齿轮的原理造成的。这种齿轮传动类似现代汽车用的差动齿轮，相当于汽车中差动齿轮的逆向使用原理。这种指南车，可以说是世界上最早的自动化设备。指南车指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。用英国著名科学史专家李约瑟的话说，中国古代的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。整个水运仪象台高12米，宽7米，共分3层，相当于一幢四层楼的建筑物。最上层的板屋内放置着1台浑仪，屋的顶板可以自由开启，平时关闭屋顶，以防雨淋，这已经具有现代天文观测室的雏型了；中层放置着一架浑象；下层又可分成五小层木阁，每小层木阁内均安排了若干个木人，5层共有162个木人，它们各司其职：每到一定的时刻，就会有木人自行出来打钟、击鼓或敲打乐器、报告时刻、指示时辰等。在木阁的后面放置着精度很高的两级漏刻和一套机械传动装置，可以说这里是整个水运仪象台的“心脏”部分，用漏壶的水冲动机轮，驱动传动装置，浑仪、浑象和报时装置便会按部就班地动作起来。这台仪器的制造水平堪称一绝，充分体现了我国古代人民的聪明才智和富于创造的精神。水运仪象台水运仪象台是我国古代一种大型的天文仪器，由宋朝天文学家苏颂等人创建。它是集观测天象的浑仪、演示天象的浑象、计量时间的漏刻和报告时刻的机械装置于一体的综合性观测仪器，实际上是一座小型的天文台。到此为止，瓦特完成了对蒸汽机的整套发明过程。经过他的一系列重大的发明和改进，使蒸汽机的效率提高到原来纽科门机的3倍多